论文摘要
微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,复杂的微机电系统中,经常需要封装基片结构,因此封装技术是MEMS系统的关键技术,而键合技术又是各类封装方法中最为重要的一类。阳极键合作为在MEMS系统中所使用的一项重要键合技术,具有工艺简单、键合强度高、密封性好等优点,广泛应用于微电子技术和MEMS技术等领域。发展低温、低电压阳极键合,可以避免高温、高电压引起的材料被击穿、电子元件的损坏、材料氧化以及产生热应力等不良现象。同时低温阳极键合使MEMS的封装工艺的可选择性更广、应用也更为广泛。因此,配合研究快速、低温、高质量的阳极键合技术,寻求符合要求的新材料就具有重要的实际意义。与传统的键合基片材料玻璃相比,微晶玻璃以其系统广泛、品种繁多、性能优异,特别是其热膨胀系数在较大范围内可调而著称,本课题以微晶玻璃代替传统耐热玻璃作为阳极键合基片材料,通过选择合适的微晶玻璃系统与组成、优化其热处理制度、控制其主晶相种类、晶粒含量及其尺寸大小,调整其热膨胀系数,使之与硅片、金属（不锈钢）等键合材料近似匹配,达到减少键合应力、降低键合温度、提高键合质量的目的;同时利用阳极键合装置进行了阳极键合实验及键合性能测试,并详细分析了键合工艺参数对键合质量的影响,探寻了键合工艺制度与键合性能之间的影响规律;获得了键合界面微观结构特征,并对硅/微晶玻璃低温阳极键合进行了研究与探索,初步建立了微晶玻璃与硅片、金属（不锈钢）等材料的阳极键合模型。本文的主要研究内容和取得的具体成果有:（1）论文全面概括了微机电系统的发展状况,详细分析了各种键合技术方法的优缺点及阳极键合技术今后的发展方向。深入探讨了微晶玻璃作为良好的封装材料或键合材料的可行性,重点阐述了低温阳极键合的目的及意义,同时简要介绍了论文的研究内容、研究目标、技术路线及实验工艺流程。（2）系统深入地研究了与金属材料键合的Li2O-Al2O3-ZnO-SiO2（LAZS）系统微晶玻璃组成、结构与性能之间的关系及其变化规律。通过优化基础玻璃组成及相应的热处理制度,使微晶玻璃与其键合材料的热膨胀系数近似匹配,从而达到减少键合界面的残余应力,提高键合质量之目的。通过DTA、XRD、SEM及相关的测试方法,重点分析讨论了热处理制度对主晶相、晶粒尺寸大小、析晶程度及其相关性能的影响。实验结果表明:微晶玻璃试样的热膨胀系数可以达到131.6×10-7/℃-142.32×10-7/℃,最大抗折强度达到95.91MPa,具有良好的抗酸碱腐蚀的能力。由此可见LAZS系统微晶玻璃的热学、力学、化学稳定性等性能足以满足与选定金属材料（不锈钢）进行良好的阳极键合。（3）全面系统地研究了与硅片键合的Li2O-Al2O3-SiO2（LAS）系统微晶玻璃。采用差热分析方法,研究了LAS系统基础玻璃的析晶动力学,利用Kissinger、JMA及其修正方程计算该系统玻璃的析晶活化能等动力学参数,分析锂铝比对其析晶动力学的影响机制。探讨了LAS微晶玻璃组成、结构和热膨胀性能三者之间的关系,重点研究了组成、复合晶核剂对微晶玻璃的析晶性能、微观结构以及热膨胀系数的影响。（4）采用优化组分和二步热处理法制备了热膨胀系数与硅片近似匹配的LAS系统微晶玻璃,并在测试微晶玻璃热膨胀系数、抗折强度等基本性能的同时,着重研究了微晶玻璃的电学性能（介电性能,电阻率等）,为后期键合机理的研究创造有利条件。结果表明:微晶玻璃的室温电阻率大于基础玻璃,且随温度的升高电阻率呈下降的趋势;微晶玻璃的介电常数和介电损耗均小于基础玻璃。在介电性能方面,LAS系统微晶玻璃更适宜作为电子器件的绝缘封装材料。（5）创新性地开展了不锈钢/微晶玻璃、硅/微晶玻璃阳极键合实验。根据不同键合材料的特殊性,选取不同的键合工艺参数进行了阳极键合实验。通过对键合状况的观察及键合强度的测试,分析了电压、温度、时间和压力等键合工艺参数对键合效果的影响,探讨了低温键合工艺参数与键合性能之间的变化规律。（6）实验采用去离子水、特殊的化学溶剂和等离子体刻蚀等三种不同的基片材料表面处理方式,比较分析了不同表面处理方法对阳极键合质量的影响;详细分析了阳极键合影响因素,系统评价了五种阳极键合强度的表征方法:通过检测分析键合界面微观形貌及结构特征,并对硅/微晶玻璃低温阳极键合进行了研究与探索,初步建立了硅/微晶玻璃、金属/微晶玻璃阳极键合模型。（7）自制了简易阳极键合装置（大气环境）,并购置了一套真空阳极键合设备;围绕本研究内容的开展,同时配合学校211建设引进了一套美国进口精磨抛装置、利用学校科研专项基金配置了一套日本进口超景深三维显微系统。阳极键合用微晶玻璃研究是综合性较强的研究领域,它涉及玻璃科学、晶体学、物理、化学和精密机械加工技术以及测试技术等多门学科,研究有一定难度,但其工程应用前景十分广阔。本研究以微晶玻璃代替传统耐热玻璃与不锈钢和硅片作为阳极键合材料,突破了微晶玻璃和不锈钢的传统应用领域,为构造新型微机电器件探索了更广泛的材料来源。因此,进行本课题的研究,具有重要的学术研究价值和实际应用意义。本研究得到国家自然科学基金（50472039）和湖北省自然科学基金（2005ABA011）的资助。